液相进料DMFC内的两相流与阻力特性研究

摘要

直接甲醇燃料电池(DMFC)由于甲醇来源丰富，价格便宜，其水溶液易于携带和贮存等优点，已成为未来最有发展前景的便携式电源之一。目前国内外对DMFC的研究大部分集中60℃以上阶段，环境温度下的还较少。而采用DMFC作为便携式电源的工具（如笔记本电脑、手机、PDA等）一般都是在常温下使用，所以有必要开展对环境温度下DMFC的性能研究。
　　 本文主要以环境温度下的液相进料DMFC为研究对象，开展了以下研究工作:设计并组装了可视化的液相进料燃料电池;建立和调试了燃料电池测试系统;对DMFC的膜电极进行了活化研究;分析了阳极和阴极流场结构对DMFC性能的影响;对DMFC阳极阻力特性进行了的研究。主要结论如下:
　　 (1) DMFC膜电极的活化研究。采用了三种不同的活化方法对膜电极进行活化，分析了不同的活化参数（如活化时间、活化介质、活化放电电流）对直接甲醇燃料电池性能的影响。从实验中可以看出:膜电极经过活化后，电池的性能得到明显提升。采用普通润湿活化、酸活化和放电活化都能使膜电极的性能达到最佳，只是三种活化方法使膜电极活化达到最佳所需的时间不同，普通润湿活化需要的时间较长为四个小时，而酸活化和放电活化所需的时间都较短为两个小时。采用放电活化时，小电流密度能使膜电极性能达到最佳，而在大电流密度下膜电极的性能有所下降。
　　 (2)阳极和阴极流场结构对DMFC性能的影响。当阳极和阴极分别采用平行流场、蛇形流场和交指流场作为流道时，对电池进行了性能的测试。并对阳极生成的CO2气泡以及阴极的水滴现象进行了可视化研究，分析了阳极和阴极流场结构的不同对DMFC性能的影响。结果表明:对于阳极流场来说，蛇形流场因其更易于CO2气泡的排出而性能最好，而平行和交指流场中则会出现CO2气泡堵塞流道的现象，影响了甲醇的传输，性能较差，因此采用蛇形流场作为DMFC的阳极流场。对于阴极流场来说，平行流场由于氧气流速较慢流道易出现“水淹”现象，影响了氧气的传输，使得电池性能较差;蛇形流场虽更易于水滴的排出，其性能要优于平行流场，但其流道较长，易造成氧气分布不均匀，流道底部出现供氧不足而造成电池性能的下降;交指流场由于其特殊的流道结构能保证氧气的充足供应，所以其作为DMFC阴极流场时电池的性能最佳。
　　 (3) DMFC阳极阻力特性的研究。首先对DMFC阳极流道内进出口压降进行了实验研究，采用三种不同形式的流场组装了透明的液相进料DMFC，分析了甲醇流量、甲醇浓度和流场形式对阳极进出口压降的影响，可以得出以下结论:流量较小时，阳极流场进出口压降随着电流密度增大先升高后降低最后趋于稳定;在大流量下，阳极流场进出口压降随电流密度增大而增加直至稳定。随着甲醇浓度的增大，阳极流场进出口压降略有下降，但是变化不大，说明甲醇浓度对阳极进出口压降的影响较小。在相同流量情况下，选用平行流场时压降最小、交指流场次之、蛇形流场压降最大，并且随甲醇流量增大，蛇形流场的压降增加幅度要快于其他两种形式的流场。然后对阳极采用蛇形流场的DMFC建立了阳极流道内两相流流动压力降模型。通过与实验结果相比较验证了模型的正确性。分析了电流密度、甲醇流量和甲醇浓度对各分压降和总压降的影响，可以得出以下结论:随着电流密度的增大，重力压降减小;摩擦阻力压降、局部阻力压降增大;而加速压降基本不变。在小流量情况下，重力位压降对总压降起主导作用，因此总压降呈下降趋势。而随着流量增大，摩擦阻力压降和局部阻力压降开始起主导作用，总压降呈上升趋势。

目录

声明

摘要

符号说明表

第1章 绪论

1．1 燃料电池简介

1．2 燃料电池分类

1．3 燃料电池的特性

1．3．1 燃料电池的优点

1．3．2 燃料电池存在的问题

1．4 直接甲醇燃料电池

1．4．1 直接甲醇燃料电池工作原理

1．4．2 直接甲醇燃料电池极化特点

1．5 直接甲醇燃料电池的研究进展

1．5．1 液相进料DMFC性能研究

1．5．2 液相进料DMFC流场

1．6 本文研究目的及研究内容

1．6．1 本文的研究目的

1．6．2 本文的研究内容

第2章 实验系统的建立及调试

2．1 液相进料DMFC单电池的设计

2．1．1 透明端板

2．1．2 极板与流场

2．1．3 单电池的组装

2．2 实验测试系统的建立及调试

2．2．1 实验测试系统的建立

2．2．2 实验测试系统的调试

2．2．3 实验步骤

2．3 本章小结

第3章 直接甲醇燃料电池膜电极的活化研究

3．1 引言

3．2 膜电极的制备

3．3 膜电极的活化

3．3．1 实验方法

3．3．2 活化前后膜电极性能的对比

3．3．3 活化时间对膜电极性能的影响

3．3．4 活化介质不同对膜电极的性能影响

3．3．5 采用放电活化时活化电流对膜电极性能的影响

3．4 本章小结

第4章 阳极和阴极流场的结构对DMFC性能的影响

4．1 引言

4．2 实验条件

4．3 实验结果及分析

4．3．1 阳极流场结构对DMFC性能的影响

4．3．2 阴极流场结构对DMFC性能的影响

4．4 本章小结

第5章 液相进料DMFC阳极流动阻力特性研究

5．1 引言

5．2 液相进料DMFC阳极流动阻力特性的实验研究

5．2．1 实验方法

5．2．2 电流密度及甲醇流量对阳极进出口压降的影响

5．2．3 甲醇浓度对阳极进出口压降的影响

5．2．4 流场结构对阳极进出口压降的影响

5．3 液相进料DMFC阳极流动阻力特性的数值模拟

5．3．1 DMFC阳极流道中阻力特性的数值模型

5．3．2 模型的实验验证

5．3．3 甲醇流量对阳极压降的影响

5．3．4 甲醇浓度对阳极压降的影响

5．4 本章小结

第6章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 本文不足与展望

参考文献

致谢

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